钜大LARGE | 点击量：1176次 | 2022年03月03日
不同技术路线电池的快充应用前景分析
充电的快慢和动力电池、充电桩、电动汽车整车、电网等整体技术和设计要求都息息相关，其中最大的影响因素还是在于电池。我们具体来讨论不同类型的动力电池在快充技术方向上的应用趋势。
电动汽车在使用中，消费者最为担心的还是充电时间和续航里程的问题，在目前的技术水平下，充电时间与续航里程难以兼得，因此动力电池也就发展出了两条路线，一种是专注续航里程的比能量派，主要是通过不断的提高锂离子电池的比能量，从而增加电动汽车的续航里程;第二种是专注减少充电时间的快充派，主要是通过改善锂离子电池的快充性能，缩短电动汽车的充电时间。随着技术进步和对锂电池材料的深入研究，快充技术曾经遇到的难题可能也会一一迎刃而解。
如何理解快充?
要理解快充，一个专业术语是逃不掉的——充放电倍率C，可以简单理解为充、放电的速率。锂离子电池的充放电倍率，决定了我们可以用多快的速度，将一定的能量存储到电池里面，或者以多快的速度，将电池里面的能量释放出来。
根据2018年新能源汽车补贴政策，充电倍率小于3C的属于非快充类纯电动客车，充电倍率高于(含)3C则属于快充类纯电动客车类。但快充的补贴划分只针对新能源客车，无乘用车和物流车标准。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
根据业界及宁德时代(300750)的定义，电动汽车快充是指充电电流大于1.6C的充电方式，也就是从0%充电到80%时间小于30分钟的技术。笔者综合多方意见，提出充电倍率小于1.6C为慢充，1.6C-3C为小快充，3C以上为快充。多数电动乘用车都能达到“小快充”，快充型客车的充电倍率则大部分集中在3C-5C。
如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就像优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，以供到达负极的锂离子嵌入。嵌入的锂离子越多，充电容量越高。
快充时，锂离子需要加速瞬时嵌入到负极。这对负极快速接收锂离子的能力挑战很大。普通化学体系的电池在快充时负极会出现副产物，影响电芯的循环和稳定性。能量密度与功率密度，在同一只电池中可以说是顾此失彼的两个方向。
无论是国家政策导向还是企业技术布局，普遍追求高能量密度。当动力电池的能量密度足够高，一台车装载电量足够大，可以避免所谓“里程焦虑”，对于快速充电的需求就会降低。但是，电量大了，如果成本没有降下来也很难被市场接受。因此，如果能在控制好电池成本的前提下，用便捷的充电能力+适用的续航里程，就能极大缓解用户焦虑，这样一来快充就有存在的价值。
不同技术路线电池的快充应用前景
充电的快慢和动力电池、充电桩、电动汽车整车、电网等整体技术和设计要求都息息相关，其中最大的影响因素还是在于电池。我们具体来讨论不同类型的动力电池在快充技术方向上的应用趋势。各种正极材料几乎都可以用来制造快充型电池，但适用性和优劣各不相同。
1、三元快充型电池更适用于电动乘用车
三元电池因其有较高的能量密度更受到重视，材料本身导电性能优异，但反应活性太高，因此对快充安全性提出了较大的挑战。
三元电池快充体系的代表企业有宁德时代、比克等。宁德时代研发了“超导电子网”和“快离子环”技术，可实现15分钟内SOC从5%充电到85%，能量密度190Wh/kg，循环寿命超过2500次，主要应用领域为乘用车，预计2018年内具有批量生产的能力。
比克今年5月最新推出的3.0高能芯通过引入硅系负极材料、高镍正极材料，以及专门开发的电解液，其能量密度高达近250Wh/kg，可实现500公里超长续航里程。通过充电策略设计，有效缩短充电时间，提高充电效率。在极端的应急模式下，充电10分钟可行驶60公里。
按照燃油车的使用习惯，要实现充电时间在10-20分钟以内完全充满电，充电倍率至少需要3-6C之间。目前市面上的纯电动乘用车大多数是半小时到1小时充满80%电量，比以前两三小时的充电时间已提升了不少，未来有望进一步压缩到20分钟内。
2、磷酸铁锂快充乘商均可用
磷酸铁锂在快充领域不具有先天优势，从材料上看，磷酸铁锂材料的本征电导率比较低，仅为三元材料的百分之一，需要对磷酸铁锂材料进行导电性优化才能满足快充的需求。但磷酸铁锂的材料成本相对较低，结合成熟的技术背景及稳定的产品性能，有较为广泛的应用前景，代表企业有宁德时代、沃特玛等。
受限于理论能量密度的极值限制，磷酸铁锂未来在能量密度方面的发挥空间不大。但对于客车、物流车、专用车等商用车现已选用磷酸铁锂体系而言，对于能量密度的提升并不是必须的，而快充则越来越体现出其重要性。
3、锰酸锂电池适用于插电式混动客车
锰酸锂电池具备功率性能、放电倍率性能、低温性能好，电压频率高的特点，且在三元上游原材料疯涨的态势下，锰酸锂的成本优势正在逐步突显。但在能量密度、高温性能等方面仍然需要提升。近年来，锰酸锂快充电池在插电式混动客车领域占比增长显著，代表企业为中信国安(000839)盟固利、亿鹏新能源、微宏动力。
然而，锰酸锂电池在高温条件下循环性能欠佳，通过正极掺杂可以改善锰酸锂电池高温性能，但改性后的锰酸锂材料已非“原来的锰酸锂”了。业内常用“多元复合材料”，正极采用三元材料和锰酸锂混合体系，负极则采用多孔复合碳，进一步提升快充的性能，但安全性仍然需要重点关注并不断提升改进。
4、钛酸锂快充电池适用于纯电动客车
钛酸锂动力电池是以负极材料命名，正极采用三元材料，以珠海银隆、微宏动力、天津捷威为典型企业。从性能来看，钛酸锂电池的低温性能优越、安全性和循环使用性能较好，作为快充电池的倍率性能也得到业界的肯定。但是钛酸锂目前突出的问题有两点：其一，能量密度相对较低，在政策、市场均要求不断提升能量密度的压力下，当前钛酸锂的市场份额在整个动力电池市场中占比较低。其二，受高成本的小金属材料如钛、镍、钴的影响，钛酸锂电池成本明显要高于其他体系。
钛酸锂电池在循环寿命方面明显优于其他体系快充型电池，这因材料本身特性，即“零应变”特性决定。但其劣势明显，能量密度较低，能量密度只有三元体系的一半左右。再加之价格偏高，目前大多是在快充公交上应用，后续亟需寻求更高电压的正极材料及匹配电解液来解决此缺陷。
5、快充新方向——钛铌氧化物负极材料
钛铌氧化物是基于钛酸锂的基础上研发产生的，主要优势在于相对于钛酸锂理论容量175mAh/g，钛铌氧化物的理论容量在280mAh/g左右。
2017年10月，东芝官方宣布已成功研发新一代车用锂离子电池，有望在2019年商用。该电池采用钛铌氧化物材料，相对目前三元、磷酸铁锂等技术，实现颠覆性进步。新电池具备能量密度高、充电效率快等优点，只需充电6分钟就能达到90%的电量，可行驶320公里。目前锂电池平均需30分钟才能充至80%电量。
此外，“石墨烯电池”的概念一直比较火热，但行业内也存在争议。在锂电池中应用，石墨烯主要做负极活性材料和导电添加剂。单就快充能力来看，采用石墨烯作为导电剂，或用石墨烯包覆磷酸铁锂/三元锂材料，能达到较好快充效果。但综合成本、工艺难度等指标来看，仍有很大挑战性。
快充产品市场前景
能量密度高，充电快，价格便宜，这是用户最期待的理想型动力电池产品。然而“鱼与熊掌不可兼得”，在现有的锂离子电池体系下，倍率性能、能量密度、寿命、安全性、价格等动力电池最重要的五个指标都固定在比较稳定的图里面，提高任何一个指标，其他的指标相对来说都会受到损失。
目前快充动力电池主要应用于新能源客车，因其对城市及受众单位选择性强，即有相对财力支持的城市或单位，比较倾向于快充型电池客车。但从市场发展潜力来看，未来乘用车、专用物流车的增速及市场规模将高于客车，因此未来快充型动力电池的消费结构将会向这两类车型偏移。
根据电池中国数据，2017年我国快充客车产量6486辆，电池装机量达597.52MWh，占新能源客车总量的6%。其中，快充客车产品充电倍率最高为6.42C。倍率在3C-5C车型产量为4771辆，电池装机量为480.68MWh;倍率在5C-10C车型产量为1715辆，电池装机量为116.84MWh。目前快充客车快充倍率主要集中在3C-5C之间。从电池类型来看，2017年快充客车的电池材料主要以钛酸锂为主，装机量为571.54Mwh，占比95.65%。
根据2017年4种类型动力电池出货量，1.54GWh锰酸锂部分用于插电式混动汽车，部分满足小快充要求，16GWh三元电池汽车部分满足小快充要求。整体来看，三元快充电池适合乘用车，磷酸铁锂、钛酸锂等快充电池适合客车，锰酸锂快充电池适合插电式混动汽车，钛铌氧化物或是快充新方向。
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